嚴寒地區高速鐵路隧道凍害整治及隧道防凍設計優化

湯曉光

(中國鐵路沈陽局集團有限公司,沈陽 110001)

近年來，我國在嚴寒地區修建了大量高速鐵路隧道，而且隨著新線的修建，隧道數量還在繼續增長。隨著這些隧道的逐步建成并投入運營，不可避免地發生了一些襯砌背后脫空(空洞)、開裂和滲漏水等缺陷和病害等問題。我公司管轄范圍內某高速鐵路隧道投入運營后陸續發生了襯砌開裂、變形外鼓、拱頂滲漏水、掉塊等嚴重影響行車安全的問題。通過對這些問題的逐步排查發現： 隧道一旦形成病害，很大程度上就會影響隧道結構和行車安全，并且整治難度相當大，整治費用也相當高。如果從建設初期(尤其是勘察設計階段)就對這些易產生問題的環節從源頭上盡量做到位，就能夠防止運營后出現重大凍害問題。所以結合這些病害和整治效果對寒冷地區新建鐵路隧道從設計施工階段進一步優化具有重要的意義。

1 某隧道凍害情況及原因分析

1.1 隧道概況

某隧道位于吉林省安圖縣石門鎮，進口里程DK233+761(K348+120)(括號內為運營里程)，出口里程DK237+451(K351+810)，全長3 690 m，最大埋深約283 m，為單洞雙線隧道，洞內鋪設有砟軌道，設計速度250 km/h。

1.1.1 地質概況

(1)工程地質概況

隧道區屬布爾哈通河峽谷低山區，沿線地形切割強烈，溝壑相間，地勢起伏較大，總體地勢北西高南東低，海拔最高為612 m，最低326 m，最大高差286 m。山坡植被茂密，荊棘叢生，覆蓋層較薄。隧道進出口地勢較陡，自然坡度為35°～60°。

隧址區通過地層主要為華力西晚期第二、第三期花崗巖。先期噴發的華力西晚期第二期花崗巖(γ43(2))受第三期花崗巖(γ43(3))侵入，因此花崗巖的成份與性質有所區別。

隧址區屬北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候。按照對鐵路工程影響的氣候分區，該區為嚴寒地區，最冷月月平均氣溫-15.2 ℃。夏季短促溫暖，冬季漫長酷寒，春季干旱多風，秋季涼爽，四季分明。年平均氣溫為4.6 ℃，極端最高氣溫為36.5 ℃，極端最低氣溫為-37.1 ℃，年平均降水量為670.4 mm，主要集中于6～8月；年平均蒸發量為1 311.3 mm，年平均相對濕度為67%，全年平均風速2.3 m/s，風向為WNW，最大風速為20 m/s，風向為W，最大積雪深度為50 cm，土壤最大凍結深度為171 cm。

(2)水文地質特征

隧址區地下水主要賦存于華力西晚期花崗巖風化層和基巖裂隙中，根據地下水賦存條件、含水介質及水力特征可分為：①風化裂隙水;②基巖裂隙水。

根據現場調查，結合鉆探資料及區域資料綜合分析，隧道大部分花崗巖在枯水季節處于滲水、滴水狀態；在豐水季節，地下水位升高，地表水量豐富，隧道涌水量可能增加。經計算，該隧道正常涌水量取1 800 m3/d，最大涌水量取3 995 m3/d。

勘察報告顯示DK236+250～DK236+600、DK237+080～DK237+180為地層接觸帶和物探異常帶，巖體較破碎，富含地下水。施工階段變更記錄顯示DK235+995～DK236+035(長40 m)、DK236+805～DK236+840(長35 m)巖體節理裂隙發育，滲漏水嚴重，局部有股狀水流出。

勘探揭示地下水位埋深在10～22 m間，局部溝谷處只有1.2 m，地下水埋深較淺；隧道勘察抽水試驗所得滲透系數K=0.013～0.113 m/d，平均值為0.07 m/d，滲透系數較小。綜上所述，本隧道地下水來源應該為基巖裂隙水，具有埋深較淺、緩滲流、小水量的特征。

1.1.2 防凍與排水設計

(1)襯砌抗凍措施

隧道除洞門斜切段采用整體式襯砌外，暗洞均采用復合式襯砌，Ⅱ級圍巖采用曲墻帶底板結構形式，地下水富集的Ⅱ級圍巖段及Ⅲ～Ⅴ級圍巖采用曲墻帶仰拱結構形式，考慮抗凍影響，洞口500 m各級圍巖襯砌進行了加強，采用C40鋼筋混凝土，其余地段采用C35鋼筋混凝土或C30混凝土，為預防混凝土表面開裂，素混凝土內摻加聚丙烯纖維，摻量0.9 kg/m3。

(2)隧道排水措施

隧道內設置中心深埋水溝及雙側保溫水溝。中心深埋水溝設置于仰拱下方，軌面以下3.7 m處，水溝上方鋪設2 m寬保溫層；雙側保溫水溝設置雙層蓋板，蓋板間填充30 cm厚硬質聚氨酯保溫材料。中心深埋水溝采用φ600 mm鋼筋混凝土預制管。底部環向盲管上方設混凝土保溫層。

中心深埋水溝地段每30 m設置1處保溫檢查井，檢查井設雙層蓋板，蓋板間填充30 cm厚硬質聚氨酯保溫材料，并對兩層蓋板采取密封措施，防止冷空氣進入。

中心深埋水溝地段襯砌防水板背后設φ80 mm環向盲管(HDPE單壁打孔波紋管外包無紡布)，洞口防寒段范圍內縱向間距5 m，其他地段8 m；兩側邊墻墻腳處襯砌防水板背后設置φ100 mm縱向盲管(HDPE雙壁打孔波紋管外包無紡布)。仰拱(底板)下方設置帶保溫層的橫向碎石排水盲溝，底寬及高均為200 mm，內置φ100 mm PVC管，保溫層采用泡沫混凝土。橫向排水盲溝設置間距同環向盲管，襯砌背后地下水通過環縱向排水盲管收集后通過隧底橫向排水溝直接排入中心深埋水溝。

1.2 隧道病害情況

該隧道運營通車后陸續出現襯砌開裂脫落、襯砌變形外鼓、裂縫滲漏水、滴水至鋼軌結冰現象。具體情況如下。

1.2.1 K349+143處襯砌開裂變形

2016年2月29日，排查時發現該隧道K349+143處(該處距隧道進口1023 m)拱頂回填注漿口位置和右線起拱線位置襯砌混凝土均發生局部開裂變形。范圍為沿隧道縱向K349+142～K349+146，環向范圍為由隧道拱頂中線向右側呈近似“L”形延伸，至右線起拱線結束。裂紋沿環向約4 m，縱向約4 m，裂縫周邊襯砌混凝土局部變形。現場情況見圖1。

圖1 K349+145開裂變形

經探查，此處開裂變形部位二次襯砌混凝土厚度為15～20 cm，存在大面積襯砌厚度不足缺陷，薄層混凝土處產生開裂變形。

1.2.2 K349+607處襯砌開裂變形

2017年2月4日，工務段巡檢發現五峰山隧道K349+607處左側邊墻襯砌外鼓變形，鼓起最大處約20 cm，變形襯砌表面存在較多不規則裂紋，并伴有不同程度的表層剝離疏松現象，表面有冰溜。當日晚對表面松散混凝土進行了剝離，打設泄水孔。變形混凝土內有結冰現象，泄水孔內有少量股狀水流出，后衰竭為滴水呈線。現場情況見圖2。

圖2 襯砌鼓包變形

經過對病害部位襯砌混凝土進行探查，發現病害均發生在富水的纖維混凝土襯砌地段，主要原因是施工存在襯砌背后空腔、襯砌厚度不足和混凝土不密實等問題，特別在春融季節受晝夜環境溫度交替變化的作用，導致襯砌后空腔升溫積水，冷卻結冰，造成二襯混凝土膨脹開裂。另外，受低溫影響，拱頂滲漏水滴漏到鋼軌上迅速結冰，為行車造成巨大安全隱患；同時，水滴漏到接觸網線上形成冰溜，也影響供電設備穩定與安全，也會產生擊打列車問題。

2 隧道病害整治

2.1 隧道襯砌滲漏水整治

對于隧道襯砌出現呈線流、股流等出水量較大的病害處所，主要采取注漿封堵并在襯砌邊墻增設豎向排水盲溝加強措施。

(1)襯砌拱部滲漏水注漿封堵。對拱部滲漏水采用水泥-水玻璃進行封堵，漿液配合比水泥∶水玻璃∶水=1∶0.67∶1.22，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，當注漿壓力達到設計終壓并穩定5 min以上，即可結束注漿。

(2)襯砌邊墻增設豎向深埋排水盲溝。在隧道邊墻施作豎向深埋盲溝，盲溝的上部打設放射形泄水孔，將拱部圍巖的裂隙水收集至盲溝內，通過側溝內的保溫排水管匯入檢查井，排出洞外。豎向深埋碎石盲溝長1.0 m，寬0.45 m，內設1根φ100 mm雙壁打孔波紋管(外包無紡布)，盲溝頂位于內軌頂面以上4 m處，埋置深度為距二襯表面1 m。

2.2 隧道襯砌裂縫整治

對于鋼筋混凝土襯砌裂縫寬度大于0.2 mm的裂縫，采用注漿封縫處理。素混凝土襯砌裂縫，分以下4種情況處理。

(1)襯砌表面干縮等原因引起的淺表裂縫，該類裂縫對結構受力無影響，采用環氧樹脂進行封縫處理。

(2)襯砌表層非貫通性裂縫，無錯臺，采用沿裂縫兩側交錯布置錨桿的方式進行加固。

(3)貫通縱向及環向的較深非閉合裂縫，對結構造成一定的破壞，應查明裂縫產生的原因，一般采用注漿嵌縫，錨桿固定，并布設鋼帶進行加固處理。

(4)貫通性閉合裂縫影響結構整體性受力，且安全隱患較大，采用注漿嵌縫，錨桿固定，布設鋼帶加固后，并設置套襯進行安全防護。

2.3 襯砌嚴重病害整治

對于綜合缺陷、病害較為嚴重的地段，在對漏水與裂紋缺陷治理后再采用增設帶有保溫層的波紋鋼板套襯進行加固。

2.3.1 波紋鋼板襯套結構設計

根據現場實際發生的病害現狀，模擬素混凝土在受凍脹力后剪斷完全以重力形式壓在套襯結構上，計算得出的素混凝土襯砌在凍脹后混凝土塊靜壓作用下波紋板套襯的受力變形情況，確定采用厚度6 mm、波高110 mm、波長300 mm、縱向長度10 m的波紋鋼板襯套進行加固處理。套襯結構由防水層、保溫層和波紋鋼板組成。波紋鋼板采用化學錨栓固定。波紋鋼板與原二次襯砌間設置防水層及保溫層。

(1)防水層

防水層采用聚氨酯防水涂料，涂刷在既有二次襯砌表面，厚度2 mm。涂刷施工前對襯砌混凝土表面浮塵進行清除。

(2)鍍鋅波紋鋼板

防水層施工驗收完成后，安裝波紋鋼板套襯。波紋鋼板采用波高110 mm，波長300 mm，板厚6 mm冷軋鍍鋅波紋Q345鋼。鋼板采用工廠預制，現場拼裝的方法進行施工，塊間設置法蘭，采用M24高強鍍鋅螺栓/螺母連接。波紋鋼板與原二次襯砌間設置M20化學錨栓連接，錨栓長度350 mm，錨固深度不小于200 mm，同時不允許穿透二襯。為施工作業安全方便，最大波紋板長3 135 mm，寬954 mm，質量約250 kg。

(3)保溫層

設于波紋鋼板與二次襯砌之間，采用聚氨酯保溫材料現場灌注發泡方式進行施工，前期在室內模擬灌注發泡試驗，抗壓強度不小于180 kPa，導熱系數不大于0.024 W/(m·K)，吸水率不大于3%，燃燒等級為B1，其厚度設計是關鍵。

當地土壤最大凍結深度1.71 m。根據《民用建筑熱工設計規范》(GB50176—2016)，各種材料熱阻計算公式如下

R=δ/λ

式中R——材料層熱阻，m2·k/W；

δ——材料層厚度，m；

λ——材料導熱系數，W/(m·K)。

相關材料導熱系數如下：粉質黏土1.16；混凝土1.74；聚氨酯材料0.023。

凍結深度范圍土壤熱阻

R=δ/λ=1.71/1.16=1.47 (m2·K/W)

各厚度下混凝土襯砌熱阻

0.5 m厚襯砌，R=0.5/1.74=0.29 m2·K/W

0.75 m厚襯砌，R=0.75/1.74=0.43 m2·K/W

加設的保溫層采用聚氨酯材料，其導熱系數根據《民用建筑熱工設計規范》(GB50176—2016)，取為0.023(W/(m·K))。各襯砌厚度下所需聚氨酯保溫層厚度

0.5 m厚襯砌，δ=R·λ=(1.47-0.29)·0.023=0.027 m

0.75 m厚襯砌，δ=R·λ=(1.47-0.43)·0.023=0.032 m

由以上計算看出，保溫層最大設置厚度僅需0.032 m，考慮到此值為理論計算，為確保效果，結合相關經驗及襯砌內輪廓等因素，保溫層厚度設為0.05 m。

2.3.2 波紋鋼板襯套安裝要點(圖3)

(1)根據施工工藝詳細制定施工方案和質量安全防護措施，確保施工質量、安全，天窗點內必須完成保證行車安全的階段工程處理。

(2)嚴格控制波紋板與二襯的錨固螺栓長度不超過200 mm，避免破壞防水板。

(3)連接波紋板的10.9級M24高強螺栓緊錮扭力矩需達到340 N·m。

(4)波紋板與襯砌混凝土間聚氨酯保溫材料灌注壓力控制在0.1～0.3 MPa，終壓0.5 MPa。

圖3 波紋鋼板施工及整治效果

2.4 整治后情況

該隧道經凍害整治后，在隧道進、出口和洞內設置了14處溫度監測點，在每個洞內點分別監測波紋板表面、二襯表面、二襯背后及圍巖內部30、60、90 cm部位的實際溫度，經統計分析初步得出如下結論。

2.4.1 洞內外溫度

隧道洞內環境溫度最低點在入口處，從入口處至隧道中心里程逐漸升高，寒冷天氣-20.0～-22.0 ℃時，洞內最高環境溫度-7.0 ℃。如果沒有施作防寒保溫層，二襯背后有空腔且混凝土強度不足時，存在襯砌凍張開裂甚至脫落風險的可能。

2.4.2 二襯表面溫度

在寒冷天氣-19.0～-22.0 ℃時，洞內各監測點二襯表面溫度達到-3.0～2.0 ℃，較未加裝保溫材料前提升6.0～8.0 ℃左右。

2.4.3 二襯背后溫度

在寒冷天氣-19.0～-22.0 ℃時，各監測點二襯背后及圍巖內部30、60、90 cm處的實際溫度均為正溫，最低溫度至1.6 ℃，最高溫度達8.0 ℃。可以保證二襯后無凍害，排水通暢。

3 赤喀客專隧道防凍與排水技術

赤喀客專全線共有15座隧道，其中天秀山隧道地處遼寧省喀左縣和建平縣，起訖里程為DK13+760～DK22+832，全長9 072 m，全隧道最大埋深約360 m。隧道為雙線單洞隧道，屬于高風險隧道。

3.1 原設計情況3.1.1 地質概況

天秀山隧道隧址區出露地層主要為震旦系中統霧迷山組(Z2w)及少量第四系上更新統(Q3d1+pl)坡洪基物。第四系沖洪積松散堆積物分布于支狀沖溝內。沿線零星出露燕山期次火山巖脈或巖床，從早到晚劃分為閃長巖(δμ52(2))，輝綠巖、輝綠玢巖(δμ52(3))等，以閃長玢、輝綠巖為主。天秀山隧道調查區地表水不發育，沿線河溝發育，常年處于干枯狀態，僅在雨季有地表水流經，隧址區屬中低山基巖裸露區，強降雨后能形成瞬時地表徑流，沿河谷流向低凹處，但不能形成長期水流。隧址區地下水按含水介質類型，可分為孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、斷層帶水。

本標段屬于溫帶亞干旱季風氣候。主要特點是春季干旱多風；夏季炎熱，降水集中；秋季涼爽；冬季干冷。按照鐵路對工程影響氣候分區為寒冷地區。年平均氣溫9.9 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-23.3 ℃，最冷月平均氣溫-9.4 ℃，屬于嚴寒地區，土壤凍土最大埋深1.4 m。

3.1.2 設計情況

隧道洞口500 m范圍內二襯采用鋼筋混凝土，其他地段Ⅱ、Ⅲ級圍巖二襯采用素混凝土；隧道進、出口500 m防寒距離內，防水板背后環向盲管處加2 mm聚氨酯保溫板進行保溫；長度≤2 km的雙線隧道全長以及長度>2 km的雙線隧道排水端洞口1 km范圍設置深埋中心水溝及保溫側溝；其他地段設置保溫中心水溝及保溫側溝。

3.2 變更設計情況

鑒于赤喀客專與前述凍害整治隧道處于同一緯度，最低溫度基本相同，同時，經勘察地下水較為豐富，對赤喀客專隧道襯砌及排水設施防寒措施進行了專題研究，進行以下優化及變更設計。

3.2.1 隧道二襯增設鋼筋補強

對原設計非洞口 500 m 范圍單(聯絡線)、雙線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖素混凝土襯砌拱墻部位加設鋼筋，雙線隧道深埋中心水溝地段二次襯砌全環加設鋼筋。

3.2.2 隧道全長增設環向盲管

對單線隧道環向盲管處全長設置保溫措施，雙線隧道環對洞口段2 000 m范圍內(與變更后深埋中心水溝長度一致)環向盲管處設置2 m寬 5 cm厚聚氨酯保溫板地段，向圍巖側初支擴挖，確保二次襯砌厚度滿足要求。如圖4所示。

圖4 環向盲管示意(單位：mm)

3.2.3 增設可維護注漿管

在距洞口500 m范圍施工縫和溫度伸縮縫處增設可維護注漿管。如圖5所示。

圖5 可維護注漿管示意(單位：cm)

3.2.4 深埋中心水溝延長

將原設計深埋中心水溝距洞口端1 000 m距離變更為2 000 m。

3.2.5 優化排水盲溝設計

對慣用的碎石盲溝方案進行改進，減少深埋碎石盲溝設置數量、深度和寬度尺寸，在隧道洞口1 000 m范圍內，隧道初支背后每隔15 m設置1道碎石盲溝，增設鋼筋籠以保證碎石盲溝的施作質量。

3.2.6 優化保溫側溝設計

雙線隧道設雙側保溫側溝，單線隧道設雙側加強型保溫側溝。保溫側溝采用雙層6 cm厚鋼筋混凝土蓋板，雙層蓋板間設聚氨酯保溫材料填充。側溝的外沿內設5 cm厚聚氨酯保溫板。

4 結語

目前我國在寒冷地區修建高速鐵路隧道，在防寒與防排水設計、施工方面的經驗不足，相關標準尚未完善。一方面，設計及業內學者對嚴寒地區高鐵隧道運營后洞內外溫度變化規律研究不夠深入，只考慮對隧道進、出口500 m范圍內增設防寒設施，而對洞內其他部位防寒措施缺乏研究論證，尤其是對順風向隧道Ⅱ級圍巖素混凝土襯砌抗凍性能缺乏實踐論證，容易造成高安全性要求的隧道防寒設計先天不足。另一方面，一些施工單位對隧道施工質量控制不嚴，建設、監理單位缺乏有效管控手段，造成已建成隧道存在襯砌背后脫空等質量缺陷，進而造成高鐵開通運營后隧道凍害問題時有發生。通過采用襯后注漿封堵和波紋鋼板加固綜合整治技術，有效解決了隧道襯后積水結冰和襯砌混凝土凍脹開裂、脫落問題，為今后已開通運營鐵路隧道同類病害整治積累了寶貴經驗。赤喀客專鐵路隧道襯砌和排水防寒設計、施工，在借鑒既有隧道凍害整治經驗的基礎上，采取了一系列有效地加強與改進措施，為今后寒冷地區高速鐵路隧道建設積累了有益的設計和施工經驗。